Volume: la vite e il vino

Sezione: ricerca

Capitolo: miglioramento genetico

Autori: Maria Stella Grando

Introduzione

L’attività di miglioramento delle varietà di vite è stata inizialmente forzata dalla necessità di salvare la viticoltura europea gravemente minacciata dalle malattie introdotte a metà dell’800. Un’importante soluzione è stata trovata con l’adozione e il successivo sviluppo dei portinnesti. Le varietà prodotte da incrocio con l’obiettivo di combinare la resistenza ai patogeni con una discreta qualità dell’uva non hanno avuto invece il successo sperato. Dopo più di un secolo, una nuova enfasi è rivolta alle potenzialità del breeding, sia per far fronte a vecchi problemi sia per inventare prodotti competitivi. Le conoscenze emergenti sulla base genetica dei caratteri complessi che determinano la qualità delle produzioni, insieme alla possibilità di identificare le migliori varianti alleliche all’interno del genere Vitis, rappresentano importanti innovazioni per lo sviluppo di soluzioni tecnologiche.

Cenni storici sull’attività di miglioramento genetico

La vite in natura è dioica e quindi allogama obbligata. Le varietà domestiche hanno fiori ermafroditi e sono altamente eterozigoti, con un importante carico di alleli recessivi sfavorevoli. La depressione da inbreeding osservata è piuttosto severa, dato che alla seconda o terza generazione normalmente compare sterilità. Il miglior metodo di breeding è dunque quello di mantenere l’eterozigosi, incrociando i migliori individui di linee non imparentate e ricorrendo occasionalmente a reincroci per concentrare le combinazioni di caratteri desiderabili. Le viti, ottenute per propagazione vegetativa sin dall’antichità, sono rimaste relativamente libere da malattie fino a un secolo e mezzo fa. Nel 1860, in Francia iniziarono a morire parecchie piante nei vigneti a causa di un afide, poco dopo identificato come fillossera, che danneggiava l’apparato radicale. Questo insetto, introdotto dagli USA dove viveva come simbionte naturale sulle specie di vite native, nell’arco di alcuni anni provocò gravissimi danni e mise in seria difficoltà tutta la viticoltura europea. L’osservazione che ibridi americani come Isabella, Concord, Herbemont e altri mostravano una certa tolleranza alla fillossera condusse alla ricerca di fonti di resistenza naturale alla malattia tra le specie americane. Selezioni appartenenti in particolare a V. riparia, V. rupestris e V. berlandieri si rivelarono molto utili e furono estensivamente propagate per essere usate come portinnesti. Per migliorare altre caratteristiche dei portinnesti, alcune selezioni furono incrociate con V. vinifera e questo rappresentò il primo importante programma di miglioramento genetico per la viticoltura. Tutto ciò non riguardava la parte aerea della pianta che rimaneva ancora una vinifera intatta. L’innesto tuttavia era costoso e quindi furono avviati numerosi tentativi di produrre viti che combinassero la resistenza alla fillossera con la produzione di uve per vino di buona qualità, i cosiddetti produttori diretti. Dopo più di un secolo, questo ideale è rimasto ancora irrealizzato, nel senso che nessun ibrido è riuscito a competere con la qualità delle varietà di V. vinifera, anche se alcune selezioni da incroci interspecifici hanno dimostrato di essere valide per altri aspetti, come la resistenza a patogeni fungini o la tolleranza alla siccità. Numerosi vivaisti e ricercatori come Baco, Couderc, Seibel, Seyve, Villard, Millardet, de Grasset, Richter, Paulsen, Teleki e Kober intrapresero iniziative di breeding e vengono giustamente ricordati come salvatori della viticoltura europea. A essi va inoltre riconosciuto il merito di avere contribuito con il miglioramento genetico dei portinnesti al superamento di altre problematiche derivanti dall’interazione della pianta con il suolo, come le infezioni da nematodi, che sono anche vettori di virus, e alcuni stress abiotici (per esempio salinità, calcare). Sul fronte delle varietà di vite, importanti sforzi per migliorare la resistenza ai patogeni fungini vanno riconosciuti a programmi condotti in Germania, Ungheria e USA nell’ultimo secolo con risultati apprezzabili anche per la qualità dei vini. Tuttavia, l’introduzione di queste cultivar nel mercato non ha avuto il successo sperato e rimane difficile. Il processo di incrocio genera infatti varietà completamente nuove che quindi non si incanalano automaticamente nel mercato, ma vanno promosse con dedicate azioni di marketing.

Attualità del breeding

Da quando negli ultimi duecento anni la viticoltura si è diffusa in tutto il mondo, il miglioramento della produzione è derivato soprattutto dal perfezionamento delle pratiche agronomiche e gestionali, ma si è realizzato con un forte ricorso alla difesa chimica verso le numerose malattie della pianta. Tale soluzione non solo risulta costosa in termini economici, ma diventa sempre meno sostenibile di fronte alla crescente attenzione della società moderna per la salute umana e la qualità dell’ambiente. L’ingegneria genetica ha la potenzialità di modificare efficacemente uno o pochi tratti delle cultivar, evitando di alterare la complessa costituzione del genotipo affermato. Molte delle varietà internazionali e dei portinnesti esistenti si sono già rivelate adatte alla trasformazione genetica mediata dall’Agrobacterium o dalla biolistica, ma anche questo metodo di breeding si scontra con l’atteggiamento conservatore del consumatore, principalmente europeo, e con la tradizionale recalcitranza al cambiamento del mondo del vino. Rimane il fatto che allo stato attuale diventa sempre più difficile apportare innovazioni qualitative e produttive in viticoltura attraverso interventi ambientali e regimi gestionali. Invece, le risorse genetiche del genere Vitis sono vaste e rappresentano un grosso potenziale a disposizione del miglioramento genetico per specifiche caratteristiche, sia dei portinnesti sia dei vitigni. I diversi approcci al miglioramento genetico, classici o biotech, necessitano comunque di maggiori conoscenze sulla genetica e la biologia della vite, considerato che per questa specie gli studi fondamentali sono stati ostacolati fortemente in passato dai lunghi tempi di generazione (3-5 anni) e dall’elevata eterozigosi. È ormai convinzione condivisa che un forte avanzamento della viticoltura possa derivare solo dalla comprensione delle complesse interazioni fra genotipo, ambiente di coltivazione e gestione della pianta.

Progressi recenti

Lo sviluppo di tecnologie che rendono rapidamente accessibili informazioni sulla costituzione e il funzionamento dei genomi ha aperto negli ultimi anni, anche per una specie difficile come la vite, la strada verso l’identificazione e la valutazione delle varianti geniche che determinano caratteri di interesse e per disegnare strategie di miglioramento delle varietà tradizionali basate sulle migliori varianti alleliche dello stesso genere Vitis. Per le sue caratteristiche biologiche (è diploide, può essere facilmente incrociata o autofecondata, ha un genoma relativamente piccolo, circa 500 milioni di basi), la vite può addirittura rappresentare un sistema modello per ricavare conoscenze genomiche sulle peculiarità delle piante legnose che producono frutti polposi e non climaterici, oltretutto ricchi di metaboliti secondari responsabili di colore, sapore e aromi. Inoltre, la famiglia delle Vitaceae presenta un sistema di architetture del fiore, del frutto e del fusto molto interessante per studi comparativi fondamentali. Per molti aspetti, compresa l’analisi funzionale dei geni e la caratterizzazione dettagliata del genoma, la ricerca sulla vite come quella su altri organismi sta comunque beneficiando delle informazioni accumulate in questi ultimi anni dallo studio di piante modello come Arabidopsis. Per garantire sicuri avanzamenti senza inutili sovrapposizioni di sforzi, i ricercatori dei principali Paesi viticoli hanno ritenuto essenziale nel 2002 promuovere l’International Grape Genome Program (IGGP) con l’obiettivo di favorire lo scambio di informazioni e il coordinamento di iniziative scientifiche. La finalità principale della ricerca genomica viticola prevista dall’IGGP è “la comprensione delle basi genetiche e molecolari di tutti i processi che sono rilevanti per la specie coltivata, sfruttando le risorse biologiche del genere Vitis nell’ottica di sviluppare nuove varietà con migliore qualità e ridotti costi economici e ambientali, oltre che innovativi strumenti diagnostici”. I tratti considerati di fondamentale interesse sono la resistenza agli stress biotici e abiotici, aspetti qualitativi della bacca e caratteristiche legate alla riproduzione. Specifici obiettivi sono stati perseguiti negli ultimi anni dalla comunità scientifica internazionale per generare informazioni e organizzarle in adeguati strumenti. Prima di affrontare l’analisi completa del genoma di vite sono state sviluppate strategie complementari che avevano come scopo la piena integrazione della sequenza del genoma con le mappe genetiche. Per lo studio della base genetica di caratteri di interesse, sono state generate mappe molecolari con vari tipi di marcatori del DNA da opportune progenie segreganti. Alcune mappe sono state usate come riferimento e in seguito tutti gli esperimenti hanno adottato la stessa nomenclatura per i gruppi di linkage in modo da stabilire delle coordinate virtuali sui cromosomi di vite. Una mappa più informativa, in quanto integra la posizione dei marcatori generati da cinque diverse sperimentazioni, è diventata disponibile recentemente. Sono inoltre in fase avanzata nuovi strumenti pensati per ancorare le mappe genetiche alle mappe fisiche di vite, attraverso il posizionamento di numerosi marcatori derivati spesso da sequenze funzionali del genoma. In questo modo, l’informazione genetica corrispondente alle regioni del genoma individuate per associazione con i marcatori diventerà fisicamente accessibile. Alcune librerie di grandi inserti del genoma (BAC) per varietà di V. vinifera e altre specie di Vitis sono state già prodotte in diversi laboratori allo scopo di ottenere mappe fisiche dall’ordinamento di cloni BAC che faciliteranno il processo di identificazione e isolamento di geni. A questo proposito, l’analisi statistica dei dati fenotipici e genotipici di alcune popolazioni segreganti ha portato a localizzare recentemente nelle mappe genetiche i primi QTL (Quantitative Trait Loci) di vite, ovvero loci responsabili del controllo genetico di caratteri quantitativi, come le dimensioni del frutto nell’uva da tavola, la resistenza a patogeni fungini e la tolleranza alla malattia di Pierce. Un ulteriore progresso nella direzione del clonaggio per posizione è rappresentato dalla caratterizzazione di alcuni QTL con geni candidati, come nel caso della determinazione aromatica della bacca. In alternativa, i QTL possono essere risolti identificando all’interno di un gruppo di genotipi, come per esempio accessioni di germoplasma e varietà coltivate, un’associazione statistica tra le varianti alleliche a loci marcatori o candidati e la media del tratto analizzato. Questi traguardi rappresentano possibili applicazioni a programmi di Marker Assisted Breeding per favorire un rapido avanzamento nella creazione di nuove varietà. Un altro obiettivo enfatizzato negli ultimi anni è stata l’adozione di metodi per definire la funzione dei geni a livello molecolare e di organismo. L’identificazione di geni specifici coinvolti in processi biologici significativi della pianta è un prerequisito per l’interpretazione delle informazioni molecolari nella struttura e nell’organizzazione del genoma di Vitis. Strumenti importanti sono considerate le collezioni di mutanti e di varianti naturali, come pure lo sviluppo di metodi di trasformazione efficienti in modelli transienti e stabili, e sistemi di knockout o inattivazione di geni (per esempio RNAi e silenziamento indotto da virus). Lo sviluppo e l’uso dei microarrays di EST è uno dei più importanti successi per la correlazione dell’espressione genica a specifici processi biologici. Un passo ulteriore sarà costituito dalla complementazione di questi studi con l’analisi sistematica del proteoma e la definizione dei profili metabolici su larga scala.

Prospettive

Le nuove tecnologie hanno aperto scenari impensabili per la ricerca viticola fino a pochi anni fa. La vite da specie difficile per la genetica è diventata ideale per la genomica e finalmente si stanno accumulando informazioni dalle quali generare conoscenze utili per il miglioramento delle varietà. In viticoltura, l’interazione tra genotipo, ambiente e pratiche colturali è cruciale per la qualità delle produzioni e quindi, oltre all’enfasi sulla funzione delle sequenze genomiche, la sfida emergente è quella di stabilire correlazioni precise tra i caratteri molecolari (geni, proteine e metaboliti) e tratti agronomici. In tale senso sarà sempre più importante valutare e capire il fenotipo della vite, e quindi identificare gli alleli favorevoli che esistono nelle risorse genetiche del genere Vitis per arrivare a combinarli in varietà più avanzate e assicurare una progressiva comprensione degli effetti ambientali sul comportamento della pianta.


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